Metabolisme tecnològic

L’activitat humana, derivada en gran part del desenvolupament tecnològic, genera materials que se’n surten dels circuits naturals del reciclatge biològic. Especialment durant els darrers cent cinquanta anys d’existència, l’espècie Homo sapiens ha produït substàncies que, o bé ens serveixen per facilitar-nos aspectes molt variats de la vida, com serien, per exemple, els plàstics o els plaguicides, o bé són subproductes dels propis avanços tecnològics, com, per exemple, els contaminants generats a partir dels combustibles derivats del petroli. Tots ells acaben per compartir una característica que els converteix en un problema: són tòxics en major o menor mesura i no hi ha en tota la biosfera els recursos metabòlics per eliminar-los o transformar-los en productes innocus. En resum: sintetitzam materials que no sabem eliminar o transformar i això els converteix en un problema.

El funcionament de les depuradores es basa principalment en la biodegradació de la matèria orgànica per part dels mateixos microorganismes que de forma natural es troben en l’aigua i en la pròpia matèria contaminant. Tant la degradació provocada per la respiració aeròbica com la que resulta de processos anaeròbics aconsegueix eliminar percentatges molt elevats de matèria orgànica. És la denominada depuració secundària (la primària és la separació física de matèria sòlida de l’aigua). Si la càrrega contaminant de l’aigua fos íntegrament biodegradable, amb aquest tractament, optimitzat al màxim, podrien assolir-se els objectius d’una depuració suficient. Faltaria aplicar simplement els denominats tractaments terciaris, principalment consistents en l’eliminació d’algunes substàncies inconvenients com el derivats nitrogenats o els fosfats i finalment, segons els usos que es vulguin donar a l’aigua (regar en espais públics, recàrrega d’aqüífers, etc.) aplicar tractaments desinfectants.

“sintetitzam materials que no sabem eliminar o transformar i això els converteix en un problema”

La realitat és, tal com ja hem comentat, que de cada vegada són més imprescindibles els denominats tractaments quaternaris: aquells orientats a eliminar total o parcialment la multitud de contaminants, poc o gens biodegradables, que passen inalterats pels processos anteriors de depuració. Precisament perquè moltes d’aquestes substàncies arriben al medi natural on s’aboquen les aigües insuficientment depurades, la necessitat d’aplicar aquests tractaments de descontaminació també afecta a les masses d’aigua destinades al consum humà com a aigües potables.

Davant la urgent necessitat d’eliminar de les aigües que consumim tots els variats contaminants que l’activitat humana aboca al medi ambient (els denominats contaminants emergents: medicaments, plastificants, cosmètics, additius tecnològics de tota classe…) són molts els grups d’investigació que intenten filar prim per trobar els procediments més eficients de tractament i depuració. Així, per exemple, sense sortir d’Espanya, només de fullejar els darrers números de la revista Tecnoaqua (òrgan de difusió de l’AEAS, Asociación Española de Abastecimientos de Agua y Saneamiento) hi trobam interessants referències com aquestes: la UB desenvolupa un sistema de degradació electroquímica de matèria orgànica a l’aigua basat en la producció in situ de H₂O₂; un estudi realitzat de forma conjunta per investigadors de la Universitat Politècnica de València, la Universitat Jaume I, la Universitat d’Antioquia i el CSIC han posat a punt un procediment a base d’ozó, amb zeolita com a catalitzador, que permet eliminar el 90 % de fàrmacs en 10 minuts (sense zeolites el temps és de 25 minuts); en el darrer congrés de l’AEAS, celebrat a Castelló abans de l’estiu, es conclogué que les tecnologies més prometedores per a la separació de substàncies contaminants de l’aigua són les que es basen en filtracions per membrana o adsorció sobre carbó activat mentre que per a l’eliminació (per destrucció o transformació química) l’aposta de futur passa per les denominades tècniques d’oxidació avançada.

En general, es consideren tècniques d’oxidació avançada, aquelles que, per diversos mecanismes, generen una de les espècies químiques més oxidants conegudes: el radical hidroxil (HO·). Atenent a aquests mecanismes poden diferenciar-se diverses classes de sistemes d’oxidació avançada tal com s’indiquen a continuació.

“de cada vegada són més imprescindibles els denominats tractaments quaternaris: aquells orientats a eliminar total o parcialment la multitud de contaminants, poc o gens biodegradables”

Peròxid d’hidrogen i radiació ultraviolada (H₂O₂/UV)

H₂O₂ + hν (UV)→2 HO·

La reacció indicada és el punt inicial a partir del qual es generen més radicals lliures altament oxidants. Compta amb l’avantatge de l’efecte desinfectant de la radiació ultraviolada. És una de les tècniques d’oxidació avançada més implantades i experimentades a dia d’avui. Quan la matèria oxidable conté únicament hidrocarburs pot degradar-se completament fins a CO₂ i H₂O. L’eficiència en la producció de radicals hidroxils augmenta a mesura que augmenta l’energia de la radiació.

Ozonització catalítica (O₃/UV/catalitzador)

O₃+ hν (UV)→O₂ + O

O + H₂O → H₂O₂                       

H₂O₂ + hν (UV)→2 HO·

Diverses substàncies poden actuar com a catalitzadors de la reacció. Entre aquests catalitzadors hi ha cations metal·lics, òxids o aluminosilicats com les zeolites (tal com demostra l’estudi citat anteriorment)

Reacció de Fenton i les seves variants

Pren el nom del seu descobridor, el químic anglès  H.J.H. Fenton i es va donar a conèixer en una publicació de l’any 1894.  Aquesta és la reacció bàsica a partir de la qual els radicals hidroxil, en presència de matèria orgànica, desencadenen en procés oxidatiu:

Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + HO^– + HO·

S’aprofita el poder oxidant del peròxid d’hidrogen catalitzat pel Fe²⁺. Com que es forma Fe³⁺ es requereixen condicions àcides perquè es mantingui dissolt o bé es poden emprar agents quelants per estabilitzar el ferro trivalent. Altres cations capaços d’existir en dos estats d’oxidació fàcilment reversibles, com el Cu⁺/Cu²⁺ poden catalitzar igualment la reacció donant lloc a les denominades variants similars de la reacció de Fenton. Si s’hi afegeix l’efecte de la radiació electromagnètica, principalment UV, s’amplia el ventall de possibilitats amb el que es denominen reaccions foto-Fenton.

Persulfat

Es tracta d’un oxidant ben conegut des de fa molt de temps però recentment (Yang, L. Et al, 2019) s’ha incrementat el seu potencial oxidant a base de diversos sistemes d’activació (calor, radiació UV, ultrasons, cations de metalls de transició i òxids metàl·lics) a través dels quals es generen radicals sulfat, una espècie química més oxidant que el persulfat.

Clor/cloramines/UV

La interacció del clor en dissolució amb la radiació ultraviolada també genera radicals hidroxil, a més de radicals clor i altres formes activades (amb major potencial oxidant) de clor molecular. També les cloramines, sotmeses a la radiació UV generen espècies radicalàries capaces d’oxidar molts composts orgànics

Processos de catàlisi heterogènia

De les reaccions comentades, la majoria tenen lloc entre reactius en dissolució però algunes d’elles, com per exemple l’ozonització catalitzada per zeolites, tenen lloc a la interfície entre dues fases, normalment una sòlida i una líquida o gasosa. Són els denominats processos oxidatius de catàlisi heterogènia i entre aquests destaquen els fotocatalítics, on s’aprofita la radiació electromagnètica, sigui visible o UV, com a desencadenant de la reacció.  En aquests casos, per efecte dels fotons es produeixen moviments d’electrons en el catalitzador que creen zones amb dèficit d’electrons i zones amb elevada densitat electrònica. Les molècules d’aigua o de peròxid d’hidrogen en contacte amb aquests «forats» deficitaris d’electons perden més fàcilment els seus electrons formant radicals hidroxils. Un dels fotocatalitzadors més estudiats i emprats és l’òxid de titani, TiO₂.

Entre les substàncies orgàniques més difícilment destruïbles i que suposen un greu problema sanitari per la seva toxicitat i persistència s’hi troben els composts poli i perfluorats (els denominats PFAS). Fins ara, cap dels processos d’oxidació avançada coneguts oferia una eficiència de destrucció satisfactòria. Dia 20 de novembre passat es va publicar a la revista Nature un treball (Hao Zhanq et. al., 2024) que mostra com emprant radiació de l’espectre visible i un fotocatalitzador orgànic (concretament un derivat de carbazole) s’aconsegueix destruir els enllaços C-F del politetrafluoroetilè, entre d’altres PFAS, i convertir el 95 % del fluor en fluorur potàssic. Es tracta realment d’un procés de reducció on els electrons despresos pel fotocatalitzador orgànic acaben rompent els enllaços més resistents coneguts en la química orgànica. 

La mateixa creativitat humana que ha inundat el planeta – en un procés de síntesi o construcció, és a dir, anabòlic – de substàncies tòxiques i persistents ara ha de posar en joc, amb la tecnologia química, els mecanismes catabòlics – és a dir, de degradació i reciclatge –  que permetin desfer-nos de productes i subproductes incompatibles amb la nostra salut i la de tota la biosfera. En tot cas, amb intel·ligència conscient, com la humana, o sense, la vida sempre evoluciona creant les condicions que la fan viable; qui no s’adapta, simplement desapareix. Ser-ne conscients és un dels grans avantatges evolutius que tenim com a espècie i, certament, ens pot ajudar, però no és cap garantia d’invulnerabilitat.